KR20230067264A - The superconducting coil evaluating apparatus for a wind power generator and the evaluating method thereof - Google Patents

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KR20230067264A
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박민원
성해진
고병수
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김창현
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창원대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention includes: a cryogenic container; a superconducting coil module housed in the cryogenic container; a support module which is connected to the cryogenic container and the superconducting coil module and supports the superconducting coil module; an armature module arranged to have an air gap with respect to the superconducting coil module; a superconducting power supply unit which supplies power to the superconducting coil module; an armature power unit which applies power to the armature module; and a control unit which changes a current applied to the armature module from the armature power unit. The present invention can be applied to evaluate performance of the superconducting coil by influencing inertia of a rotating part of a wind turbine.

Description

풍력발전기용 초전도코일 평가 장치 및 평가 방법{THE SUPERCONDUCTING COIL EVALUATING APPARATUS FOR A WIND POWER GENERATOR AND THE EVALUATING METHOD THEREOF}Superconducting coil evaluation device and method for wind power generators

본 발명은 풍력발전기용 초전도코일 평가 장치 및 평가 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풍력발전기의 실제 회전기 부하 특성과 동일한 토크를 구현하여 평가 신뢰성을 확보할 수 있는 풍력발전기용 초전도코일 평가 장치 및 평가 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an evaluation apparatus and method for evaluating a superconducting coil for a wind turbine, and more particularly, to an evaluation apparatus and evaluation method for a superconducting coil for a wind turbine capable of securing evaluation reliability by realizing the same torque as the load characteristics of an actual rotor of the wind turbine. It's about how.

초전도 기술을 적용한 풍력발전기는 풍력터빈의 계자를 초전도자석으로 대체한 회전자로 구성된다. 초전도자석을 이용한 풍력발전기는 기존의 영구자석을 이용한 풍력발전기로는 달성하기 어려운 10MW급 이상의 초대형 풍력발전기를 만드는데 유리하다. 강력한 자석 덕분에 발전기가 작아져서 풍력발전기의 중앙 축에 탑재하기 쉽기 때문이다. A wind turbine with superconducting technology is composed of a rotor in which the field of a wind turbine is replaced with a superconducting magnet. Wind turbines using superconducting magnets are advantageous for making super-large wind turbines of 10MW or higher, which are difficult to achieve with conventional wind turbines using permanent magnets. This is because the powerful magnet makes the generator smaller and easier to mount on the central shaft of the wind turbine.

초전도자석을 이용한 초고자장 고에너지밀도형 대용량 풍력발전기는 영하 230도 이하에서 기계적에너지를 전기적에너지로 변환할 때 발생하는 강한 토크(힘*길이)를 견뎌야 한다. 가령, 10MW 풍력발전기가 국내 해역의 평균 풍속 8.5 m/s를 고려해 9.69rpm으로 회전할 때, 회전축은 10.34MNm라는 강한 토크가 발생되어야 기계적에너지가 전기에너지로 전환된다. 여기서, 10MW급 초전도자석 40극 풍력발전기의 경우, 1극 당 가해지는 토크는 258.5kNM이며, 반지름 3.6m에서 힘으로 환산하면 약 71KN이 1극의 초전도자석에 가해진다. An ultra-high field, high energy density, large-capacity wind turbine using a superconducting magnet must withstand the strong torque (force * length) generated when converting mechanical energy into electrical energy at -230 degrees Celsius or less. For example, when a 10MW wind power generator rotates at 9.69 rpm considering the average wind speed of 8.5 m/s in domestic waters, the rotating shaft must generate a strong torque of 10.34 MNm to convert mechanical energy into electrical energy. Here, in the case of a 10MW class superconducting magnet 40-pole wind turbine, the torque applied per pole is 258.5kNM, and about 71KN is applied to the superconducting magnet of one pole when converted into force at a radius of 3.6m.

따라서, 10MW급 이상의 초전도풍력발전기에 적용되는 초전도자석의 경우, 초전도자석에 발생되는 토크 부하에 대한 기계적 부하 특성을 사전에 검증하여 신뢰성을 확보하는 것이 중요하다. 단하나의 초전도자석(초전도코일)이라도 성능 미달 및 기계적 안정성에 대한 문제 발생 시, 초전도코일 간의 충돌 및 전체 풍력발전기 시스템에 대한 악영향으로 전체 비용의 증가를 초래하는 문제가 있다.Therefore, in the case of a superconducting magnet applied to a superconducting wind power generator of 10 MW or more, it is important to verify the mechanical load characteristics of the torque load generated in the superconducting magnet in advance to secure reliability. Even a single superconducting magnet (superconducting coil) has a problem of causing an increase in overall cost due to a collision between superconducting coils and a negative effect on the entire wind power generator system when a problem with poor performance or mechanical stability occurs.

대한민국 등록특허공보 제10-1444365호 (2014년09월18일 등록)Republic of Korea Patent Registration No. 10-1444365 (registered on September 18, 2014)

본 발명의 일 실시 예는, 풍력발전기 회전부의 관성에 따른 풍력발전기의 출력 변화 영향을 초전도코일 성능 평가에 반영하여 실제 회전기의 부하 특성과 동일한 토크를 구현할 수 있는 풍력발전기용 초전도코일 평가 장치 및 평가 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An embodiment of the present invention is a superconducting coil evaluation device and evaluation device for a wind power generator capable of realizing the same torque as the load characteristics of an actual rotor by reflecting the influence of output change of a wind turbine according to the inertia of a rotating part of the wind turbine to the performance evaluation of the superconducting coil. It aims to provide a method.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전기용 초전도코일 평가 장치는, 극저온용기, 극저온용기에 수용된 초전도코일모듈, 극저온용기와 초전도코일모듈에 연결되어 초전도코일모듈을 지지하는 지지모듈, 초전도코일모듈에 대해 공극을 가지도록 배치된 전기자모듈, 초전도코일모듈에 전원을 인가하는 초전도전원부, 전기자모듈에 전원을 인가하는 전기자전원부, 및 전기자전원부에서 전기자모듈에 인가되는 전류를 변화시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, an apparatus for evaluating a superconducting coil for a wind power generator according to an embodiment of the present invention is connected to a cryogenic container, a superconducting coil module accommodated in the cryogenic container, and a superconducting coil module connected to the cryogenic container and the superconducting coil module. A support module for supporting, an armature module arranged to have an air gap with respect to the superconducting coil module, a superconducting power supply unit for applying power to the superconducting coil module, an armature power supply unit for applying power to the armature module, and an armature power unit applied to the armature module It is characterized in that it includes a control unit that changes the current.

또한, 초전도전원부는 초전도코일모듈에 직류 전류를 인가하여 목표 자기장을 충전하는 것을 특징으로 한다.In addition, the superconducting power supply unit is characterized in that it charges the target magnetic field by applying direct current to the superconducting coil module.

또한, 전기자전원부는 전기자모듈에 직류 전류를 인가하여 초전도코일모듈에 토크를 발생시키는 것을 특징으로 한다.In addition, the armature power supply unit is characterized in that it generates torque in the superconducting coil module by applying a DC current to the armature module.

또한, 제어부는 전기자모듈에 인가되는 전류를 소정 시간 동안 제1전류에서 제2전류로 증가시키거나, 감소시키는 것을 특징으로 한다.Also, the control unit increases or decreases the current applied to the armature module from the first current to the second current for a predetermined time.

또한, 초전도코일모듈은 적어도 3 이상의 초전도코일을 포함하며, 3 이상의 초전도코일은 평면상 제1축을 따라 직렬로 연결된 것을 특징으로 한다.In addition, the superconducting coil module includes at least three or more superconducting coils, and three or more superconducting coils are connected in series along a first axis on a plane.

또한, 전기자모듈은 3 이상의 초전도코일의 각각에 대응하는 3 이상의 전기자코일을 포함하며, 전기자전원부는 3 이상의 전기자코일의 각각에 전원을 인가하는 3 이상의 직류원을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the armature module includes three or more armature coils corresponding to each of the three or more superconducting coils, and the armature power supply unit includes three or more DC sources for applying power to each of the three or more armature coils.

또한, 3 이상의 전기자코일은 제1축을 따라 차례로 배치된 것을 특징으로 한다.In addition, three or more armature coils are characterized in that they are sequentially arranged along the first axis.

또한, 풍력발전기의 용량에 따른 전기자코일의 전류값을 저장한 데이터베이스부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, it is characterized in that it further comprises a database unit for storing the current value of the armature coil according to the capacity of the wind turbine.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전기용 초전도코일 평가 방법은, 초전도코일모듈을 수용한 극저온용기의 내부에 진공을 형성하는 진공단계, 극저온용기에 수용된 초전도코일모듈을 운전온도로 냉각시키는 냉각단계, 초전도코일모듈에 전원을 인가하여 목표전류까지 충전하는 충전단계, 초전도코일모듈에 대해 공극을 가지도록 배치된 전기자모듈에 전원을 인가하는 전원인가단계, 및 전기자모듈에 인가되는 전류를 소정 시간 동안 제1전류에서 제2전류로 증가시키거나, 감소시키는 램핑제어단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, a method for evaluating a superconducting coil for a wind power generator according to an embodiment of the present invention includes a vacuum step of forming a vacuum inside a cryogenic container accommodating the superconducting coil module, and cooling the superconducting coil module accommodated in the cryogenic container to an operating temperature. A cooling step, a charging step in which power is applied to the superconducting coil module to charge it up to a target current, a power application step in which power is applied to the armature module arranged to have an air gap with respect to the superconducting coil module, and a current applied to the armature module is set to a predetermined value. and a ramping control step of increasing or decreasing the first current to the second current for a period of time.

또한, 전기자모듈에 직류 전류가 인가되며, 초전도코일모듈에 직류 전류가 인가되는 것을 특징으로 한다.In addition, DC current is applied to the armature module, and DC current is applied to the superconducting coil module.

본 발명에 따르면, 풍력발전기 회전부의 관성에 의해 풍력발전기의 출력이 천천히 변화되는 영향을 초전도코일 성능 평가에 반영할 수 있다. 즉, 실제 가변 운전환경에 맞게 초전도코일 성능 평가가 가능하다.According to the present invention, the effect of slowly changing the output of the wind turbine due to the inertia of the rotating part of the wind turbine can be reflected in the performance evaluation of the superconducting coil. That is, it is possible to evaluate the performance of the superconducting coil according to the actual variable operating environment.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전기용 초전도코일 평가 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 초전도코일모듈과 지지모듈을 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 풍력발전기용 초전도코일 평가 장치의 회로도이다.
도 4는 도 1에 도시된 전기자모듈에 인가되는 전류와 초전도코일모듈에 발생되는 토크를 도시한 그래프이다.
도 5는 도 1에 도시된 제어부의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전기용 초전도코일 평가 방법을 도시한 플로우차트이다.
1 is a diagram schematically showing an apparatus for evaluating a superconducting coil for a wind power generator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing the superconducting coil module and the support module shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a circuit diagram of a superconducting coil evaluation device for a wind power generator shown in FIG. 1 .
FIG. 4 is a graph showing the current applied to the armature module shown in FIG. 1 and the torque generated in the superconducting coil module.
5 is a graph for explaining the operation of the controller shown in FIG. 1;
6 is a flowchart illustrating a method for evaluating a superconducting coil for a wind power generator according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세하게 설명한다. 다만, 아래에서 설명되는 실시 예들은 본 발명의 명확한 이해를 돕기 위한 예시적 목적으로 제시되는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments described below are only presented for illustrative purposes to help a clear understanding of the present invention, and do not limit the scope of the present invention.

본 발명의 실시 예들을 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로, 본 발명이 도면에 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 구성 요소는 동일 참조 부호로 지칭될 수 있다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명은 생략된다. Since the shape, size, ratio, angle, number, etc. disclosed in the drawings for explaining the embodiments of the present invention are exemplary, the present invention is not limited to those shown in the drawings. Like elements may be referred to by like reference numerals throughout the specification. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of related known technologies may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.

본 명세서에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이라는 표현이 사용되지 않는 이상, 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소가 단수로 표현된 경우, 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함한다. 또한, 구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.When 'includes', 'has', 'consists', etc. mentioned in this specification is used, other parts may be added unless the expression 'only' is used. When a component is expressed in the singular, the plural is included unless specifically stated otherwise. In addition, in interpreting the components, even if there is no separate explicit description, it is interpreted as including the error range.

위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이라는 표현이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수 있다.In the case of a description of a positional relationship, for example, 'on top of', 'on top of', 'at the bottom of', 'next to', etc. Or, unless the word 'directly' is used, one or more other parts may be located between the two parts.

공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below, beneath)", "하부 (lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소 들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 마찬가지로, 예시적인 용어인 "위" 또는 "상"은 위와 아래의 방향을 모두 포함할 수 있다.The spatially relative terms "below, beneath", "lower", "above", "upper", etc., refer to one element or component as shown in the drawing. It can be used to easily describe the correlation between and other elements or components. Spatially relative terms should be understood as encompassing different orientations of elements in use or operation in addition to the orientations shown in the figures. For example, when flipping elements shown in the figures, elements described as “below” or “beneath” other elements may be placed “above” the other elements. Thus, the exemplary term “below” may include directions of both below and above. Likewise, the exemplary terms "above" or "above" can include both directions of up and down.

시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간적 선후 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이라는 표현이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.In the case of a description of a temporal relationship, for example, 'immediately' or 'directly' when a temporal precedence relationship is described in terms of 'after', 'following', 'next to', 'before', etc. Unless the expression is used, non-continuous cases may also be included.

제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.Although first, second, etc. are used to describe various components, these components are not limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Therefore, the first component mentioned below may also be the second component within the technical spirit of the present invention.

"적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1 항목, 제2 항목 및 제3 항목 중 적어도 하나"의 의미는 제1 항목, 제2 항목 또는 제3 항목 각각 뿐만 아니라 제1 항목, 제2 항목 및 제3 항목 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미할 수 있다. The term “at least one” should be understood to include all possible combinations from one or more related items. For example, "at least one of the first item, the second item, and the third item" means not only the first item, the second item, or the third item, but also two of the first item, the second item, and the third item. It may mean a combination of all items that can be presented from one or more.

본 발명의 여러 실시 예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시 예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시될 수도 있다.Each feature of the various embodiments of the present invention can be partially or entirely combined or combined with each other, technically various interlocking and driving are possible, and each embodiment can be implemented independently of each other or together in a related relationship. may be

이하 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 풍력발전기용 초전도코일 평가 장치(1)를 상세하게 설명한다. Hereinafter, a superconducting coil evaluation device 1 for a wind power generator according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전기용 초전도코일 평가 장치(1)를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 2는 도 1에 도시된 초전도코일모듈(20)과 지지모듈(30)을 도시한 도면이고, 도 3은 도 1에 도시된 풍력발전기용 초전도코일 평가 장치(1)의 회로도이다.1 is a diagram schematically showing a superconducting coil evaluation apparatus 1 for a wind power generator according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a superconducting coil module 20 and a support module 30 shown in FIG. FIG. 3 is a circuit diagram of a superconducting coil evaluation device 1 for a wind power generator shown in FIG. 1 .

도 1 내지 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전기용 초전도코일 평가 장치(1)는 풍력발전기의 로터 등의 무게에 대한 관성으로 인한 출력 변화를 초전도코일 평가에 적용하기 위한 것이다. 이를 위해, 풍력발전기용 초전도코일 평가 장치(1)는 극저온용기(10), 초전도코일모듈(20), 지지모듈(30), 전기자모듈(40), 초전도전원부(50), 전기자전원부(60) 및 제어부(70)를 포함한다. Referring to FIGS. 1 to 3, an apparatus 1 for evaluating a superconducting coil for a wind turbine according to an embodiment of the present invention is for applying an output change due to inertia to the weight of a rotor of a wind turbine to evaluate a superconducting coil. . To this end, an apparatus for evaluating superconducting coils for wind power generators (1) includes a cryogenic container (10), a superconducting coil module (20), a support module (30), an armature module (40), a superconducting power supply unit (50), and an armature power supply unit (60). and a control unit 70.

극저온용기(10)는 그 내부를 극저온으로 유지할 수 있다. 극저온용기는 극저온냉동기(미도시)에 의해 30K 내지 40K의 운전온도로 냉각될 수 있다. 극저온용기(10)의 내벽에는 복사열 차폐를 위해 복수의 절연부재(미도시, Multi-layer insulation)가 배치될 수 있다. 예컨대, 30 내지 50매의 절연부재가 배치될 수 있다. 이에 의해, 초전도코일모듈(20)에 대한 대류의 영향을 최소화할 수 있다. 극저온용기(10)는 미도시된 진공형성장치에 의해 진공상태로 유지될 수 있다.The cryogenic container 10 may maintain its inside at a cryogenic temperature. The cryogenic container may be cooled to an operating temperature of 30K to 40K by a cryogenic freezer (not shown). A plurality of insulating members (not shown, multi-layer insulation) may be disposed on the inner wall of the cryogenic vessel 10 to shield radiant heat. For example, 30 to 50 insulating members may be disposed. Accordingly, the effect of convection on the superconducting coil module 20 can be minimized. The cryogenic container 10 may be maintained in a vacuum state by a vacuum forming device not shown.

초전도코일모듈(20)은 극저온용기(10)에 수용된다. 지지모듈(30)은 극저온용기(10)와 초전도코일모듈(20)에 연결된다. 지지모듈(30)은 초전도코일모듈(20)을 지지한다. 지지모듈(30)은 복수로 배치될 수 있다. 지지모듈(30)은 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic)일 수 있다. 이에 의해, 지지모듈(30)은 고토크를 지지하고, 외부로부터 전도되는 열 전달을 최소화할 수 있다.The superconducting coil module 20 is accommodated in the cryogenic container 10 . The support module 30 is connected to the cryogenic container 10 and the superconducting coil module 20 . The support module 30 supports the superconducting coil module 20 . A plurality of support modules 30 may be arranged. The support module 30 may be GFRP (Glass Fiber Reinforced Plastic). Accordingly, the support module 30 can support high torque and minimize heat transfer conducted from the outside.

전기자모듈(40)은 초전도코일모듈(20)에 대해 공극을 가지도록 배치된다. 초전도전원부(50)는 초전도코일모듈(20)에 전원을 인가한다. 전기자전원부(60)는 전기자모듈(40)에 전원을 인가한다. 제어부(70)는 전기자전원부(60)에서 전기자모듈(40)에 인가되는 전류를 변화시킨다. 일 실시 예로, 제어부(70)는 전기자모듈(40)에 인가되는 전류를 소정 시간 동안 제1전류에서 제2전류로 증가시키거나, 감소시킬 수 있다. 즉, 제어부(70)는 전기자모듈(40)에 인가되는 전류의 시간에 대한 변화량을 초래한다. 이에 의해, 풍력발전기의 로터 등의 무게에 대한 관성으로 천천히 변화하는 출력변화를 모의하여 평가에 적용할 수 있다. 제2전류는 제1전류 보다 크거나 작을 수 있다.The armature module 40 is disposed to have an air gap with respect to the superconducting coil module 20 . The superconducting power supply unit 50 applies power to the superconducting coil module 20 . The armature power supply unit 60 applies power to the armature module 40 . The controller 70 changes the current applied to the armature module 40 from the armature power supply unit 60 . As an example, the controller 70 may increase or decrease the current applied to the armature module 40 from the first current to the second current for a predetermined time. That is, the control unit 70 causes a change amount of the current applied to the armature module 40 with respect to time. Accordingly, it is possible to simulate and apply a slowly changing output change due to the inertia of the weight of the rotor or the like of the wind power generator. The second current may be larger or smaller than the first current.

여기서, 초전도전원부(50)는 초전도코일모듈(20)에 직류 전류를 인가한다. 이에 의해, 초전도코일모듈(20)은 목표 자기장으로 충전될 수 있다. 또한, 전기자전원부(60)는 전기자모듈(40)에 직류 전류를 인가하여 초전도코일모듈(20)에 토크를 발생시킨다. 풍력발전기의 특정 용량에 대한 평가 시, 전기자전원부(60)는 전기자모듈(40)에 특정 직류 전류값을 인가하여 초전도코일모듈(20)에 대한 토크 평가가 가능한다. 즉, 간단하고 용이한 방법으로 풍력발전기의 용량에 따른 초전도코일모듈(20)에 대한 평가가 가능하다. 또한, 초전도코일모듈(20)의 회전 없이도 초전도코일모듈(20)에 대한 토크 평가가 가능하다. 따라서, 풍력발전기용 초전도코일 평가 장치(1)의 구조가 간단하고, 제조 및 평가 비용이 저렴하다.Here, the superconducting power supply unit 50 applies direct current to the superconducting coil module 20 . Accordingly, the superconducting coil module 20 may be charged with a target magnetic field. In addition, the armature power supply unit 60 applies direct current to the armature module 40 to generate torque in the superconducting coil module 20 . When evaluating the specific capacity of the wind power generator, the armature power supply unit 60 applies a specific DC current value to the armature module 40 so that the torque of the superconducting coil module 20 can be evaluated. That is, it is possible to evaluate the superconducting coil module 20 according to the capacity of the wind power generator in a simple and easy way. In addition, it is possible to evaluate the torque of the superconducting coil module 20 without rotation of the superconducting coil module 20 . Therefore, the structure of the superconducting coil evaluation device 1 for a wind power generator is simple, and the manufacturing and evaluation costs are low.

초전도코일모듈(20)은 적어도 3 이상의 초전도코일을 포함한다. 3 이상의 초전도코일은 평면상 제1축(X)을 따라 직렬로 연결된다. 따라서, 초전도코일모듈(20)이 회전축을 기준으로 원형으로 배치할 필요가 없으므로, 구조가 간단하고 제조가 용이하다. 한편, 3 이상의 초전도코일 중 양 가장자리에 배치된 초전도코일들 사이에 배치된 초전도코일이 토크 평가에 이용된다. 인접한 초전도코일에 의한 영향이 적용되어야 정확한 평가가 가능하기 때문이다. 초전도코일이 4 이상으로 배치되면, 양 가장자리에 배치된 초전도코일들 사이에 배치된 초전도코일이 복수로 배치되므로 복수의 초전도코일에 대한 평가가 가능하다.The superconducting coil module 20 includes at least three or more superconducting coils. Three or more superconducting coils are connected in series along a first axis (X) on a plane. Therefore, since the superconducting coil module 20 does not need to be arranged circularly with respect to the rotation axis, the structure is simple and manufacturing is easy. Meanwhile, among the three or more superconducting coils, superconducting coils disposed between the superconducting coils disposed on both edges are used for torque evaluation. This is because an accurate evaluation is possible only when the influence of adjacent superconducting coils is applied. When the number of superconducting coils is 4 or more, evaluation of the plurality of superconducting coils is possible because a plurality of superconducting coils are disposed between the superconducting coils disposed on both edges.

일 실시 예로, 초전도코일모듈(20)은 제1초전도코일(200), 제2초전도코일(210) 및 제3초전도코일(220)을 포함할 수 있다. 제1초전도코일(200), 제2초전도코일(210) 및 제3초전도코일(220)은 제1축(X)을 따라 직렬로 연결된다. 따라서, 제1초전도코일(200), 제2초전도코일(210) 및 제3초전도코일(220)은 3극을 정의할 수 있다. 이 경우, 제2초전도코일(210)이 토크 평가에 이용될 수 있다.As an example, the superconducting coil module 20 may include a first superconducting coil 200, a second superconducting coil 210, and a third superconducting coil 220. The first superconducting coil 200, the second superconducting coil 210, and the third superconducting coil 220 are connected in series along the first axis (X). Accordingly, the first superconducting coil 200, the second superconducting coil 210, and the third superconducting coil 220 may define three poles. In this case, the second superconducting coil 210 may be used for torque evaluation.

전기자모듈(40)은 3 이상의 초전도코일(200, 210, 220)의 각각에 대응하는 3 이상의 전기자코일을 포함할 수 있다. 또한, 전기자전원부(60)는 3 이상의 전기자코일의 각각에 전원을 인가하는 3 이상의 직류전류원을 포함할 수 있다. 3 이상의 직류전류원의 각각은 3 이상의 전기자코일의 각각과 폐회로를 이룰 수 있다. 3 이상의 전기자코일은 제1축(X)을 따라 차례로 배치된다. 전기자코일이 원형으로 배치되지 않기 때문에 구조가 간단하고, 제조가 용이하다.The armature module 40 may include three or more armature coils corresponding to each of the three or more superconducting coils 200, 210, and 220. In addition, the armature power supply unit 60 may include three or more DC current sources for applying power to each of the three or more armature coils. Each of the three or more DC current sources may form a closed circuit with each of the three or more armature coils. Three or more armature coils are sequentially arranged along the first axis (X). Since the armature coils are not arranged in a circular shape, the structure is simple and manufacturing is easy.

일 실시 예로, 전기자모듈(40)은 제1전기자코일(400), 제2전기자코일(410) 및 제3전기자코일(420)을 포함할 수 있다. 제1전기자코일(400), 제2전기자코일(410) 및 제3전기자코일(420)은 제1축(X)을 따라 차례로 배치된다. 제1전기자코일(400), 제2전기자코일(410) 및 제3전기자코일(420)은 3 상(U, V, W)을 정의한다. 전기자전원부(60)는 제1전기자코일(400), 제2전기자코일(410) 및 제3전기자코일(420)에 서로 다른 직류 전류값을 인가할 수 있다. As an example, the armature module 40 may include a first armature coil 400 , a second armature coil 410 and a third armature coil 420 . The first armature coil 400, the second armature coil 410, and the third armature coil 420 are sequentially arranged along the first axis X. The first armature coil 400, the second armature coil 410, and the third armature coil 420 define three phases (U, V, W). The armature power supply unit 60 may apply different DC current values to the first armature coil 400 , the second armature coil 410 , and the third armature coil 420 .

일 실시 예로, 전기자전원부(60)는 제1직류원(600), 제2직류원(610) 및 제3직류원(620)을 포함할 수 있다. 제1직류원(600)은 제1전기자코일(400)에 직류 전류를 인가한다. 제1직류원(600)은 제1전기자코일(400)과 폐루프를 이룬다. 제2직류원(610)은 제2전기자코일(410)에 직류 전류를 인가한다. 제2직류원(610)은 제2전기자코일(410)과 폐루프를 이룬다. 제3직류원(620)은 제3전기자코일(420)에 직류 전류를 인가한다. 제3직류원(620)은 제3전기자코일(420)과 폐루프를 이룬다. 제1초전도코일(200) 내지 제3초전도코일(220) 각각은 제1전기자코일(400) 내지 제3전기자코일(420)과 소정의 공극만큼 이격되게 배치된다.As an example, the armature power unit 60 may include a first DC source 600 , a second DC source 610 and a third DC source 620 . The first DC source 600 applies DC current to the first armature coil 400 . The first DC source 600 and the first armature coil 400 form a closed loop. The second DC source 610 applies DC current to the second armature coil 410 . The second DC source 610 forms a closed loop with the second armature coil 410 . The third DC source 620 applies DC current to the third armature coil 420 . The third DC source 620 forms a closed loop with the third armature coil 420 . Each of the first superconducting coil 200 to the third superconducting coil 220 is spaced apart from the first armature coil 400 to the third armature coil 420 by a predetermined air gap.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전기용 초전도코일 평가 장치(1)는 데이터베이스부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 데이터베이스부는 풍력발전기의 용량에 따른 전기자코일(400, 410, 420)의 직류 전류값을 저장한다. 즉, 데이터베이스부는 풍력발전기의 특정 용량에 따른 복수의 전기자코일(400, 410, 420)의 각각에 대한 직류 전류값을 저장한다. 따라서, 평가하고자 하는 풍력발전기의 용량에 대한 직류 전류값을 전기자코일(400, 410, 420)에 인가하여 초전도코일모듈(20)에 대한 토크 평가가 가능하다. 즉, 초전도코일 평가가 간단하고 용이하다.Meanwhile, the apparatus 1 for evaluating superconducting coils for wind power generators according to an embodiment of the present invention may further include a database unit (not shown). The database unit stores DC current values of the armature coils 400, 410, and 420 according to the capacity of the wind turbine. That is, the database unit stores DC current values for each of the plurality of armature coils 400, 410, and 420 according to a specific capacity of the wind turbine. Accordingly, it is possible to evaluate the torque of the superconducting coil module 20 by applying the DC current value for the capacity of the wind turbine to be evaluated to the armature coils 400, 410, and 420. That is, evaluation of the superconducting coil is simple and easy.

일 실시 예로, 풍력발전기에서 풍력터빈의 출력(Pw)은 하기 [수학식1]에 의해 산출될 수 있다.As an example, the output Pw of a wind turbine in a wind generator may be calculated by Equation 1 below.

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, ρ=공기밀도, A=풍력터빈 로터 단면적, v=풍속, Cp=출력계수이다.Here, ρ = air density, A = wind turbine rotor sectional area, v = wind speed, and Cp = power factor.

또한, 풍력발전기의 출력(Pe)은 하기 [수학식2]에 의해 산출될 수 있다.In addition, the output (Pe) of the wind turbine can be calculated by the following [Equation 2].

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, V=풍력발전기 출력전압, I=풍력발전기 출력전류이다.Here, V = wind turbine output voltage, I = wind turbine output current.

풍속에 따라 풍력발전기의 출력이 결정되므로, Pw(수학식1)과 Pe(수학식2)는 동일하다. 수학식 2에서, 풍력발전기 출력전압(V)은 설계 시 결정되는 고정 전압값이다. 결국, 풍속(v)에 의해 변하는 것은 풍력발전기의 출력(Pe)이며, 풍력발전기 출력전류(I) 값이다. 따라서, 전기자모듈(40)에 인가되는 전류값(수학식2에서 I)에 따라 풍력발전기의 출력(Pe)을 모의할 수 있다. 이에 의해, 평가하고자 하는 풍력발전기의 출력(Pe)에 따라 초전도코일모듈(20)에 대한 토크 평가가 가능하다.Since the output of the wind turbine is determined according to the wind speed, Pw (Equation 1) and Pe (Equation 2) are the same. In Equation 2, the wind turbine output voltage (V) is a fixed voltage value determined during design. After all, what is changed by the wind speed (v) is the output (Pe) of the wind turbine, and the value of the output current (I) of the wind turbine. Therefore, the output Pe of the wind power generator can be simulated according to the current value (I in Equation 2) applied to the armature module 40 . Accordingly, it is possible to evaluate the torque of the superconducting coil module 20 according to the output Pe of the wind turbine to be evaluated.

도 4는 도 1에 도시된 전기자모듈(40)에 인가되는 전류와 초전도코일모듈(20)에 발생되는 토크를 도시한 그래프이고, 도 5는 도 1에 도시된 제어부(70)의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing the current applied to the armature module 40 shown in FIG. 1 and the torque generated in the superconducting coil module 20, and FIG. 5 explains the operation of the control unit 70 shown in FIG. It is a graph for

도 3 및 4를 참조하면, current(A), current(B) 및 current(C)는 제1전기자코일(400), 제2전기자코일(410) 및 제3전기자코일(420)에 인가되는 전류이다. 풍력발전기의 회전부 관성을 고려하여, current(A), current(B) 및 current(C)는 소정 시간 동안 변화될 수 있다. 이후, current(A), current(B) 및 current(C)는 일정한 직류 전류값을 가진다. 이에 따라, 초전도코일모듈(20)에 발생되는 토크(Radial force와 Tangential force)가 점차 변화되다가, 소정 값으로 유지됨을 확인할 수 있다. 3 and 4, current (A), current (B), and current (C) are currents applied to the first armature coil 400, the second armature coil 410, and the third armature coil 420. am. Considering the inertia of the rotating part of the wind turbine, current(A), current(B), and current(C) may be changed for a predetermined time. Then, current(A), current(B), and current(C) have constant DC current values. Accordingly, it can be confirmed that the torque (radial force and tangential force) generated in the superconducting coil module 20 is gradually changed and maintained at a predetermined value.

도 5를 참조하면, 풍력발전기의 실제 가변 운전환경의 영향을 고려한 초전도코일모듈(20)의 성능 평가 예를 나타낸다. Wind speed(파란선)가 소정값에서 감소하는 경우, 전기자모듈(40)에 인가되는 전류는 풍력발전기 회전부의 관성을 고려하여 소정 시간 동안 점차 감소된다. 따라서, 풍력발전기 회전부의 관성에 의해 풍력발전기의 출력이 서서히 변화되는 영향을 초전도코일 평가에 적용할 수 있다.Referring to FIG. 5 , an example of performance evaluation of the superconducting coil module 20 considering the influence of the actual variable operating environment of the wind power generator is shown. When the wind speed (blue line) decreases from a predetermined value, the current applied to the armature module 40 is gradually reduced for a predetermined time in consideration of the inertia of the rotating part of the wind power generator. Therefore, the effect of gradually changing the output of the wind turbine due to the inertia of the rotating part of the wind turbine can be applied to the evaluation of the superconducting coil.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전기용 초전도코일 평가 방법을 도시한 플로우차트이다.6 is a flowchart illustrating a method for evaluating a superconducting coil for a wind power generator according to an embodiment of the present invention.

도 1, 3 및 도 6을 참조하면, 풍력발전기용 초전도코일 평가 방법은 진공단계(S10), 냉각단계(S20), 충전단계(S30), 전원인가단계(S40) 및 램핑제어단계(S50)를 포함한다. 1, 3 and 6, the superconducting coil evaluation method for a wind turbine includes a vacuum step (S10), a cooling step (S20), a charging step (S30), a power application step (S40), and a ramping control step (S50). includes

진공단계(S10)에서, 초전도코일모듈(20)을 수용한 극저온용기(10)의 내부에 진공을 형성한다. 냉각단계(S20)에서, 극저온용기(10)에 수용된 초전도코일모듈(20)을 운전온도로 냉각시킨다. 여기서, 운전온도는 극저온인 30K 내지 40K의 범위에 해당한다. 충전단계(S30)에서, 초전도코일모듈(20)에 전원을 인가하여 목표전류(자기장)까지 충전한다. 초전도코일모듈(20)에는 직류 전류가 인가된다. In the vacuum step (S10), a vacuum is formed inside the cryogenic container 10 accommodating the superconducting coil module 20. In the cooling step (S20), the superconducting coil module 20 accommodated in the cryogenic container 10 is cooled to an operating temperature. Here, the operating temperature corresponds to the range of 30K to 40K, which is a cryogenic temperature. In the charging step (S30), power is applied to the superconducting coil module 20 to charge it up to a target current (magnetic field). Direct current is applied to the superconducting coil module 20 .

전원인가단계(S40)에서, 초전도코일모듈(20)에 대해 공극을 가지도록 배치된 전기자모듈(40)에 전원을 인가한다. 여기서, 전기자모듈(40)에는 직류 전류가 인가된다. 램핑제어단계(S50)에서, 전기자모듈(40)에 인가되는 전류를 소정 시간 동안 제1전류에서 제2전류로 증가시키거나, 감소시킨다. 이에 의해, 풍력발전기 회전부의 관성을 고려하여 초전도코일의 성능을 평가할 수 있다. 한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전기용 초전도코일 평가 방법은 전기자모듈(40)을 초전도코일모듈(20)에 대해 특정 공극을 가지도록 배치하는 공극배치단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전기용 초전도코일 평가 방법은 도 1 내지 3에서 설명된 풍력발전기용 초전도코일 평가 장치(1)를 이용할 수 있다.In the power application step ( S40 ), power is applied to the armature module 40 arranged to have an air gap with respect to the superconducting coil module 20 . Here, a DC current is applied to the armature module 40 . In the ramping control step ( S50 ), the current applied to the armature module 40 is increased or decreased from the first current to the second current for a predetermined time. Accordingly, the performance of the superconducting coil can be evaluated in consideration of the inertia of the rotating part of the wind turbine. Meanwhile, the method for evaluating a superconducting coil for a wind power generator according to an embodiment of the present invention may further include an air gap arrangement step of arranging the armature module 40 to have a specific air gap with respect to the superconducting coil module 20 . In addition, the method for evaluating a superconducting coil for a wind power generator according to an embodiment of the present invention may use the apparatus 1 for evaluating a superconducting coil for a wind power generator described in FIGS. 1 to 3 .

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.Although the invention made by the present inventors has been specifically described according to the above embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and various changes can be made without departing from the gist of the present invention.

1 : 풍력발전기용 초전도코일 평가 장치
10 : 극저온용기
20 : 초전도코일모듈
30 : 지지모듈
40 : 전기자모듈
50 : 초전도전원부
60 : 전기자전원부
70 : 제어부
1: Superconducting coil evaluation device for wind power generator
10: cryogenic container
20: superconducting coil module
30: support module
40: armature module
50: superconducting power source
60: armature power unit
70: control unit

Claims (10)

극저온용기;
상기 극저온용기에 수용된 초전도코일모듈;
상기 극저온용기와 상기 초전도코일모듈에 연결되어 상기 초전도코일모듈을 지지하는 지지모듈;
상기 초전도코일모듈에 대해 공극을 가지도록 배치된 전기자모듈;
상기 초전도코일모듈에 전원을 인가하는 초전도전원부;
상기 전기자모듈에 전원을 인가하는 전기자전원부; 및
상기 전기자전원부에서 상기 전기자모듈에 인가되는 전류를 변화시키는 제어부를 포함하는 풍력발전기용 초전도코일 평가 장치.
cryogenic containers;
a superconducting coil module housed in the cryogenic container;
a support module connected to the cryogenic container and the superconducting coil module to support the superconducting coil module;
an armature module arranged to have a gap with respect to the superconducting coil module;
a superconducting power supply unit for applying power to the superconducting coil module;
an armature power supply unit for applying power to the armature module; and
A superconducting coil evaluation device for a wind power generator comprising a control unit for changing a current applied to the armature module from the armature power supply unit.
제 1 항에 있어서,
상기 초전도전원부는 상기 초전도코일모듈에 직류 전류를 인가하여 목표 자기장을 충전하는 풍력발전기용 초전도코일 평가 장치.
According to claim 1,
The superconducting power supply unit applies a direct current to the superconducting coil module to charge a target magnetic field.
제 1 항에 있어서,
상기 전기자전원부는 상기 전기자모듈에 직류 전류를 인가하여 상기 초전도코일모듈에 토크를 발생시키는 풍력발전기용 초전도코일 평가 장치.
According to claim 1,
The armature power supply unit applies a direct current to the armature module to generate torque in the superconducting coil module.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 전기자모듈에 인가되는 전류를 소정시간 동안 제1전류에서 제2전류로 증가시키거나, 감소시키는 풍력발전기용 초전도코일 평가 장치.
According to claim 1,
The control unit increases or decreases the current applied to the armature module from the first current to the second current for a predetermined time.
제 1 항에 있어서,
상기 초전도코일모듈은 적어도 3 이상의 초전도코일을 포함하며,
상기 3 이상의 초전도코일은 평면상 제1축을 따라 직렬로 연결된 풍력발전기용 초전도코일 평가 장치.
According to claim 1,
The superconducting coil module includes at least three superconducting coils,
The three or more superconducting coils are superconducting coil evaluation apparatus for a wind power generator connected in series along a first axis on a plane.
제 5 항에 있어서,
상기 전기자모듈은 상기 3 이상의 초전도코일의 각각에 대응하는 3 이상의 전기자코일을 포함하며,
상기 전기자전원부는 상기 3 이상의 전기자코일의 각각에 전원을 인가하는 3 이상의 직류원을 포함하는 풍력발전기용 초전도코일 평가 장치.
According to claim 5,
The armature module includes three or more armature coils corresponding to each of the three or more superconducting coils,
The armature power supply unit includes three or more direct current sources for applying power to each of the three or more armature coils.
제 6 항에 있어서,
상기 3 이상의 전기자코일은 제1축을 따라 차례로 배치된 풍력발전기용 초전도코일 평가 장치.
According to claim 6,
The three or more armature coils are superconducting coil evaluation apparatus for a wind power generator sequentially arranged along a first axis.
제 1 항에 있어서,
풍력발전기의 용량에 따른 전기자코일의 전류값을 저장한 데이터베이스부를 더 포함하는 풍력발전기용 초전도코일 평가 장치.
According to claim 1,
Superconducting coil evaluation apparatus for a wind turbine further comprising a database unit for storing the current value of the armature coil according to the capacity of the wind turbine.
초전도코일모듈을 수용한 극저온용기의 내부에 진공을 형성하는 진공단계;
상기 극저온용기에 수용된 상기 초전도코일모듈을 운전온도로 냉각시키는 냉각단계;
상기 초전도코일모듈에 전원을 인가하여 목표전류까지 충전하는 충전단계;
상기 초전도코일모듈에 대해 공극을 가지도록 배치된 전기자모듈에 전원을 인가하는 전원인가단계; 및
상기 전기자모듈에 인가되는 전류를 소정시간 동안 제1전류에서 제2전류로 증가시키거나, 감소시키는 램핑제어단계를 포함하는 풍력발전기용 초전도코일 평가 방법.
A vacuum step of forming a vacuum inside the cryogenic container accommodating the superconducting coil module;
a cooling step of cooling the superconducting coil module housed in the cryogenic container to an operating temperature;
a charging step of charging up to a target current by applying power to the superconducting coil module;
a power supply step of applying power to an armature module arranged to have an air gap with respect to the superconducting coil module; and
A method of evaluating a superconducting coil for a wind power generator comprising a ramping control step of increasing or decreasing a current applied to the armature module from a first current to a second current for a predetermined time.
제 9 항에 있어서,
상기 전기자모듈에 직류 전류가 인가되며,
상기 초전도코일모듈에 직류 전류가 인가되는 풍력발전기용 초전도코일 평가 방법.
According to claim 9,
DC current is applied to the armature module,
A superconducting coil evaluation method for a wind power generator in which a direct current is applied to the superconducting coil module.
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